Основы теории горения

РЕФЕРАТ Основы теории горения

Одной из основных характеристик любого вида топлива является теплота сгорания, т. е. то количество теплоты, которое может быть получено при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Полным сгоранием называется такое, при котором горючие компоненты топлива С, Н и S полностью окисляются кислородом. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива относят к 1 кг, а газового — к 1 м³ при нормальных условиях.

Различают низшую и высшую теплоту сгорания. В высшую теплоту сгорания входит количество теплоты, которое может быть выделено при конденсации водяных паров, находящихся в продуктах сгорания топлива.

Для сравнения различных видов топлива по их тепловому эффекту вводят понятие условного топлива, теплота сгорания которого принята равной 29 300 кДж/кг.

Отношение Qpн (низшей рабочей теплоты сгорания) данного топлива к Qу.т. (теплота сгорания условного топлива) называется топливным эквивалентом — Э. Тогда для расчета расхода натурального топлива Вн в условное Ву.т., достаточно величину Вн умножить на эквивалент Э, т. е.:

Ву.т. = Вн*Э = Вн (Qpн / Qу.т.) (1)

Горение топлива. Коэффициент избытка воздуха. Горение топлива — химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты. В качестве окислителя используют кислород воздуха.

Процессы горения разделяют на 2 группы:

1) гомогенное горение — горение газообразных горючих (характеризуется системой «газ+газ»);

2) гетерогенное горение — горение твердых и жидких горючих (характеризуется системой «твердое тело+газ» или «жидкость+газ»).

Процесс горения может протекать с разной скоростью — от медленного до мгновенного. Медленное горение — самовозгорание твердого топлива при его хранении на складах. Мгновенное горение представляет собой взрыв. В теплоэнергетических установках практическое значение имеет такая скорость реакции, при которой происходит устойчивое горение, т. е. при постоянной подаче в зону горения топлива и окислителя. При этом соотношение концентрации топлива и окислителя должен быть определенным. При нарушении этого соотношения (богатая смесь, бедная смесь) скорость реакции снижается и уменьшается тепловыделение на единицу объема.

Горение — это в основном химический процесс, т.к. в результате его протекания происходит качественные изменения состава реагирующих масс. Но в то же время химическая реакция горения сопровождается различными физическими явлениями: перенос теплоты, диффузионный перенос реагирующих масс и др.

Время горения топлива складывается из времени протекания физических (tфиз) и химических процессов

(tхим): tгор = tфиз + tхим. (2)

Время протекания физических процессов состоит из времени, необходимого для смешивания топлива с окислителем (tсм) и времени, в течении которого топливо — воздушная смесь подогревается до температуры воспламенения (tв):

tфиз = tсм + tв. (3)

Время горения (tгор) определяется скоростью наиболее медленного процесса.

Горение газообразного топлива. Минимальная температура, при которой происходит воспламенение смеси, называется температурой воспламенения. Значение этой температуры для различных газов неодинаково и зависит от теплофизических свойств горючих газов, содержания горючего в смеси, условий зажигания, условий отвода теплоты в каждом конкретном устройстве и т. д.

Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Различают два метода сжигания газа в факеле — кинетический и диффузионный. При кинетическом сжигании до начала горения газ предварительно смешивается с окислителем. Газ и окислитель подаются сначала в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. При этом скорость горения не должна превышать скорости химических реакций горения tгор = tхим.

Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом tгор = tфиз.

Кроме этого существует смешанное (диффузионно-кинетическое) горение. При этом газ предварительно смешивается с некоторым количеством воздуха, затем полученная смесь поступает в рабочий объем, где отдельно подается остальная часть воздуха.

В топках котельных агрегатов в основном используют кинетический и смешанный способы сжигания топлива.

Горение твердого топлива. Процесс горения состоит из следующих стадий:

1) подсушка топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ;

2) воспламенение летучих веществ и их выгорание;

3) нагревание кокса до воспламенения;

4) выгорание горючих веществ из кокса. Эти стадии иногда частично накладываются одна на другую.

Выход летучих веществ у различных топлив начинается при различных температурах: у торфа при 550−660 0К, у бурых углей при 690−710 0К, у тощих углей и антрацита при 1050−1070 0К.

Горение жидкого топлива. Основным жидким топливом, используемым в теплоэнергетике и промышленной теплотехнике является мазут. В установках небольшой мощности также используют смесь технического керосина со смолами.

Наибольшее применение получил метод сжигания в распыленном состоянии. Этот метод позволяет значительно ускорить его сгорание и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем.

Процесс горения жидкого топлива можно разделить на следующие стадии:

1) нагревание и испарение топлива;

2) образование горючей смеси;

3) воспламенение горючей смеси от постороннего источника (искры, раскаленной спирали и т. п.);

4) собственно горение смеси.

Определение теоретического и действительного расхода воздуха на горение топлива Горючие вещества топлива взаимодействуют с кислородом воздуха в определенном количественном соотношении. Расход кислорода и количество получающихся продуктов сгорания рассчитывают по уравнениям горения, которые записывают для 1 кмоля каждой горючей составляющей.

Химические реакции горения горючих составляющих твердого и жидкого топлива имеют вид (цифры приведены для ознакомления):

углерода С + О2 = СО2: 12 кг С + 32 кг О2 = 44 кг СО2; 1 кг С + (32/12)кг О2 = (44/12)кг СО2; (4)

водорода

2Н2 + О2 = 2Н2О: 4 кг Н2 + 32 кг О2 = 36 кг Н2О; 1 кг Н2 + 8 кг О2 = 9 кг Н2О. (5)

топливо горение теплота серы

S + O2 = SO2: 32 кг S + 32 кг O2 = 64 кг SO2;1кг S + 1 кг O2 = 2 кг SO2; (6).

Для горения 1 кг углерода, водорода и серы необходимо соответственно 8/3, 8 и 1 кг кислорода. В топливе находится Ср/100 кг углерода, Нр/100 кг водорода, Sлр/100 кг летучей серы и Ор/100 кг кислорода. Тогда для горения 1 кг топлива суммарный расход кислорода будет равен:

МоО2 = (8/3Ср + 8Нр + Sлр — Ор) / 100. (7)

Так как массовая доля кислорода в воздухе равна 0,232, то массовое количество воздуха? определяется по формуле: Мо = [(8/3Ср + 8Нр + Sлр — Ор) / 100] · [100/23,2].

Мо = 0,115 Ср + 0,345 Нр + 0,043(Sлр — Ор). (8)

При нормальных условиях плотность воздуха? о= 1,293кг/м3. Тогда объемное количество воздуха, необходимого для горения 1 кг топлива можно рассчитать по следующей формуле: Vо = Мо /?о= Мо / 1,293 м³ /кг.

Vо = 0,0889 (Ср + 0,3755Sлр) + 0,265 Нр — 0,033Ор. (9)

Для газообразного топлива расход необходимого воздуха Vо определяют из объемных долей горючих компонентов газа с использованием реакций: Н2 + 0,5 О2 = Н2О; СО + 0,5 О2 = СО2; Н4 + 2 О2 = СО2 + 2Н2О; Н2S+ 1,5О2 = SО2 + Н2О. Теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания газа, определяют по формуле:

Vо = 0,0476 [0,5СО + 0,5Н2 + 2СН4 + 1,5Н2S + ?(m + n/4)CmHn — O2]. (10)

Количество воздуха Vо, рассчитываемого по формулам (9) и (10), называется теоретически необходимым. То есть Vо представляет собой минимальное количество воздуха, необходимое для обеспечения полного сгорания 1 кг (1м3) топлива при условии, что при горении используется весь содержащийся в топливе и подаваемый вместе с воздухом кислород.

В реальных условиях из-за технических трудностей ощущается местный недостаток или избыток окислителя (воздуха), в результате ухудшается полное горение топлива. Поэтому воздух подается в большем количестве по сравнению с его теоретическим количеством Vо. Отношение действительного количества воздуха (Vд), подаваемого в топку, к теоретически необходимому количеству называется коэффициентом избытка воздуха:

? = Vд / Vо. (11)

При? >1 смесь называется обеднённой (используется в дизельных двигателях), при? < 1 смесь называют обогащённой (частично образуется при сгорании топлива в карбюраторных двигателях, например при езде на малых скоростях). Она сгорает с образованием неполных окислов углерода (СО), азота (NO) и т. п. Эти газы токсичны и опасны для здоровья.

1. Теплотехника — Баскаков А. П. 1991 г.

2. Теплотехника — Крутов В. И. 1986 г.

3. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция — Тихомиров К. В. 1981 г.57.

4. Теплотехнические измерения и приборы — Преображенский В.П.1978г.